阅读说明：本技术 一种SiC JBS二极管器件及其制备方法 (SiC JBS diode device and preparation method thereof ) 是由 袁昊 刘延聪 胡彦飞 何艳静 汤晓燕 宋庆文 张玉明 于 2020-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种SiC JBS二极管器件及其制备方法,属于微电子技术领域,包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、N-外延层、P+注入区和阳极,两个所述P+注入区之间设置有沟槽结构；本发明在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构,沟槽的引入可以增大肖特基接触面积,同时减小寄生电阻,降低了导通电阻,使器件更容易开启,解决了传统SiC JBS二极管由于缺乏载流子的调制导致导通电阻过大的问题。(The invention discloses a SiC JBS diode device and a preparation method thereof, belonging to the technical field of microelectronics, and comprising a cathode, an N + substrate, an N-epitaxial layer, a P + injection region and an anode which are sequentially arranged from bottom to top, wherein a groove structure is arranged between the two P + injection regions; according to the invention, the groove structure is arranged below the Schottky contact surface between the two P + injection regions, the introduction of the groove can increase the Schottky contact area, reduce the parasitic resistance, reduce the on-resistance, enable the device to be easier to open, and solve the problem of overlarge on-resistance caused by lack of carrier modulation of the traditional SiC JBS diode.)

一种SiC JBS二极管器件及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种SiC JBS二极管器件及其制备方法。

背景技术

近年来，随着电力电子系统的不断发展，对系统中的功率器件提出了更高的要求。Si基电力电子器件由于材料本身的限制已无法满足系统应用的要求。碳化硅(SiC)材料作为第三代半导体材料的代表，在诸多特性上均远好于Si材料。

SiC功率系统中，一个好的整流器需要小开启电压、大导通电流、低漏电流、高击穿电压以及高开关速度，而同时具有这些特点是我们追求的最理想目标。JBS(J型BarrierSchottky)便是一种结合了PiN和SBD优点的器件，该结构的正向特性类似于SBD，具有小开启电压、大导通电流、快开关速度；而反向特性则更像PiN二极管，具有低漏电流、高击穿电压。采用JBS结构可使我们灵活地选择势垒低的金属作为肖特基接触而不用担心反向漏电流会增加。此外，SiC材料的优良性能与JBS结构的优势相结合能发挥更大的优势，也成为当今功率整流器件发展的趋势。

如图1所示，传统SiC JBS二极管结构包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、N-外延层、P+注入区和阳极，传统SiC JBS二极管在正向导通时由于载流子调制能力较弱，电流密度由于P型区的原因而略小，同时导通电阻过大，增大了器件开启的难度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种SiC JBS二极管器件及其制备方法，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，减小了寄生电阻，降低了导通电阻，从而降低了正向开启电压，使器件更容易开启。

本发明的第一个目的是提供一种SiC JBS二极管器件，包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、N-外延层、P+注入区和阳极，两个所述P+注入区之间设置有沟槽结构，所述沟槽结构位于两个P+注入区之间的肖特基接触界面下方，所述沟槽结构的深度小于所述P+注入区的深度。

优选的，所述沟槽结构的深度为0.5～1μm，宽度为1～3μm。

优选的，所述沟槽结构的深度与所述P+注入区的深度差值为0.1～3μm。

优选的，所述沟槽结构的边缘与两个P+注入区间距相等，均为0.2～0.8μm。

优选的，与所述肖特基接触界面接触的金属为Ti或Ni。

本发明的第二个目的使提供上述SiC JBS二极管器件的制备方法，包括以下步骤：

S1、在N+衬底上通过外延生长形成N-外延层；通常，形成N-外延层后的整体结构称为外延片；

S2、在N-外延层上制备SiO₂掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构；

S3、清洗掉注入掩模层，在表面形成新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过Al离子注入手段形成P+注入区；

S4、在N-外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，通过氧化方法去除碳膜；

S5、淀积SiO₂形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+注入区肖特基接触区域，外延片正面和背面淀积肖特基接触金属，同时在正面沟槽结构处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在沟槽结构区域形成肖特基接触；

S6、外延片正面、背面通过淀积金属工艺形成厚电极。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果:

与传统的SiC JBS二极管器件相比，本发明在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构，沟槽结构的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，从而降低了正向开启电压，使器件更容易开启，解决了传统SiC JBS二极管由于缺乏载流子的调制导致导通电阻过大的问题。

附图说明

图1为传统的SiC JBS二极管器件剖面示意图；

图2为本发明提供的SiC JBS二极管器件结构剖面示意图；

图3为本发明实施例1制得的SiC JBS二极管器件SEM扫描电镜图像；

图4为本发明实施例1制得的SiC JBS二极管器件的正向特性曲线；

图5为本发明实施例1制得的SiC JBS二极管器件的反向特性曲线。

附图标记说明：

其中，1、阳极；2、P+注入区；3、N-外延层；4、N+衬底；5、阴极；6、沟槽结构。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。下述检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；所述材料，如没有特殊说明，均为市售。

本发明提供了一种SiC JBS二极管器件，如图2所示，包括自下而上依次设置的阴极5、N+衬底4、N-外延层3、P+注入区2和阳极1，两个所述P+注入区2之间设置有沟槽结构6，所述沟槽结构6位于两个P+注入区2之间的肖特基接触界面下方，所述沟槽结构6的深度小于所述P+注入区2的深度。

本发明在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，使器件更容易开启，解决了传统SiC JBS二极管由于缺乏载流子的调制导致导通电阻过大的问题。

上述SiC JBS二极管器件的制备方法具体包括以下步骤：

(1)在N+衬底4上通过外延生长形成N-外延层3；通常，形成N-外延层后的整体结构称为外延片；

(2)在N-外延层3上制备SiO₂掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构6；

(3)清洗掩模层，在表面通过沉积工艺形成新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过Al离子注入手段形成P+注入区2；

(4)在N-外延层3表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，通过氧化方法去除碳膜；

(5)淀积SiO₂形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+注入区2肖特基接触面，在N-外延层3正面和背面淀积肖特基接触金属，同时在正面沟槽结构处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在肖特基区域形成肖特基接触；

(6)正面、背面通过淀积金属工艺形成厚电极。

下面具体通过下述实施例来具体说明上述SiC JBS二极管器件及其制备方法。

实施例1

一种集成沟槽结构的SiC JBS二极管器件结构，包括N+衬底4，由掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的SiC材料构成，厚度350μm，轻掺杂N-外延层3位于衬底层4之上；阴极5位于N+衬底4之下；N-外延层3表面设有沟槽结构6；P+注入区2位于沟槽结构6周围的N-外延层3表面；阳极1覆盖整个P+注入区2表面和沟槽结构6的表面。

其工艺制作步骤如下：

第一步，在N+衬底4上通过外延生长形成N-外延层3，N-外延层浓度6×10¹⁵cm^-3，厚度10μm；通常，形成N-外延层后的整体结构称为外延片；

第二步，在N-外延层3上淀积形成SiO₂掩模层，掩模厚度2μm；通过光刻刻蚀工艺形成掩模图形；再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构6，沟槽结构6的宽度1μm，深度0.5μm；

第三步，清洗掩模层，在表面通过淀积工艺新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形；通过Al离子注入手段形成P+注入区2结构，P+注入区2表面浓度1×10¹⁹cm^-3，厚度为0.8μm，且沟槽结构6的边缘与P+注入区2的间距为0.5μm；

第四步，利用C膜溅射机在外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650℃，退火时间45min；并通过氧化方法去除碳膜；

第五步，淀积SiO₂形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+区肖特基接触区域。在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属Ni，同时在正面沟槽处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属Ni，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在肖特基区域形成肖特基接触，退火温度700℃，退火时间2min；

第六步，正面通过淀积Al金属形成阳极，背面通过淀积Ti、Ni或Ag金属形成背电极。

实施例2

一种集成沟槽结构的SiC JBS二极管器件结构，包括N+衬底4，由掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的SiC材料构成，厚度350μm，轻掺杂N-外延层3位于N+衬底层4之上；阴极5位于N+衬底4之下；N-外延层3表面设有沟槽结构6；P+注入区2位于沟槽结构6周围的N-外延层3表面；阳极1覆盖整个P+注入区2表面和沟槽结构6的表面。

其工艺制作步骤如下：

第1步，在N+衬底4上通过外延生长形成N-外延层3，N-外延层浓度6×10¹⁵cm^-3，厚度10μm；通常，形成N-外延层后的整体结构称为外延片；

第2步，在N-外延层3上淀积形成SiO₂掩模层，掩模厚度2μm，通过光刻刻蚀工艺形成掩模图形。再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构6，沟槽结构6的宽度2μm，深度0.8μm；

第3步，清洗掩模层，在表面通过淀积工艺新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过Al离子注入手段形成P+注入区2结构，P+注入区2的表面浓度1×10¹⁹cm^-3，厚度为1μm，且沟槽结构6的边缘与P+注入区2间距为0.2μm；

第4步，利用C膜溅射机在外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650℃，退火时间45min；并通过氧化方法去除碳膜；

第5步，淀积SiO₂形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+区肖特基接触区域。在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属Ni，同时在正面沟槽处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属Ni，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在肖特基区域形成肖特基接触，退火温度700℃，退火时间2min；

第6步，正面通过淀积Al金属形成阳极，背面通过淀积Ti/Ni/Ag金属形成背电极。

实施例3

一种集成沟槽结构的SiC JBS二极管器件结构，包括N+衬底4，由掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的SiC材料构成，厚度350μm，轻掺杂N-外延层3位于N+衬底层4之上；阴极5位于N+衬底4之下；N-外延层3表面设有沟槽结构6；P+注入区2位于沟槽结构6周围的N-外延层3表面；阳极1覆盖整个P+注入区2表面和沟槽结构6的表面。

其工艺制作步骤如下：

第1步，在N+衬底4上通过外延生长形成N-外延层3，N-外延层浓度6×10¹⁵cm^-3，厚度10μm；通常，形成N-外延层后的整体结构称为外延片；

第2步，在N-外延层3上淀积形成SiO₂掩模层，掩模厚度2μm，通过光刻刻蚀工艺形成掩模图形，再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构6，沟槽结构6的宽度3μm，深度1μm；

第3步，清洗掩模层，在表面通过淀积工艺新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形；通过Al离子注入手段形成P+注入区2结构，P+注入区表面浓度1×10¹⁹cm^-3，厚度为2μm，且沟槽结构边缘与P+注入区间距为0.8μm；

第4步，利用C膜溅射机在外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650℃，退火时间45min；并通过氧化方法去除碳膜；

第5步，淀积SiO₂形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+区肖特基接触区域。在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属Ti，同时在正面沟槽处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属Ti，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在肖特基区域形成肖特基接触，退火温度700℃，退火时间2min；

第6步，正面通过淀积Al金属形成阳极，背面通过淀积Ti、Ni或Ag金属形成背电极。

实施例1～3制得的SiC JBS二极管器件近似，下面仅以实施例1制得的SiC JBS二极管器件为例具体说明其性能。

图3为本发明实施例1制得的SiC JBS二极管器件的SEM扫描电镜图像，由图3可得，通过本发明工艺能够实现沟槽结构的制备；图4是实施例1制得的SiC JBS二极管器件的正向特性曲线，从图4分析可得，与传统的SiC JBS器件相比，集成沟槽的SiC JBS器件，正向开启电压降低了约0.15V，这是由于增大了肖特基接触面积，使得器件的导通电阻降低，器件更容易开启，由此可知，随着槽深与槽宽的增加，肖特基接触面积的增加，器件的开启电压会继续降低；图5为本发明实施例1制得的SiC JBS二极管器件的反向特性曲线，由图5可得，集成沟槽的SiC JBS器件，在正向取得良好效果的情况下，其反向漏电量级与平面结构基本保持一致，保证了器件反向的稳定性。因此，本发明在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，从而使正向开启电压降低，使器件更容易开启，解决了传统SiC JBS二极管由于缺乏载流子的调制导致导通电阻过大的问题。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。